廣東省科學院化工研究所研究員曾煒團隊聯合深圳大學教授楊楚羅和湘潭大學副教授肖曼軍設計開發了新型茚并四酮（ITO）類可聚合小分子受體并以此制備了高效的全聚合物太陽電池。相關成果近日發表于《材料化學雜志》（Journal of Materials Chemistry C）。
研究設計思路及內容概述。研究團隊 供圖
全聚合物太陽電池是一種利用聚合物給體和聚合物受體共混作為光活性層的有機太陽電池技術，由于其具備高熱穩定性、優異機械性能和良好成膜性等優勢受到研究人員廣泛關注。相比于硅基和鈣鈦礦基太陽電池，全聚合物太陽電池光伏性能偏低是限制其進一步發展的關鍵問題。利用“小分子受體高分子化”策略設計制備聚合物受體是提高器件光伏效率的有效手段，但其聚合過程需要采用施蒂勒反應，相應小分子受體單體吸電子端基需要含有反應性的溴原子，而這樣可利用的基團較少，限制了相應受體聚合物性能的提升。
為此，研究團隊以ITO類p型共軛小分子為設計靈感，開發了以此為受體單元的共軛聚合物PBDT-ITO（聚苯并二噻吩-茚并四酮）和PBDTCI-ITO（聚氯苯并二噻吩-茚并四酮）并將其用作受體制備全聚合物太陽電池。研究發現，缺電子的ITO單元能夠為聚合物提供強烈的推拉電子效應和更大的共軛長度，從而產生更低的最低未被占有分子軌道能級和較好的電子遷移率。通過與給體聚合物PM6共混制備二元全聚合物太陽電池，器件的最優效率能夠達到7.55%，開路電壓能達到1.02V。相對于聚合物PBDT-ITO，更有效的空穴/電子轉移、相對更高且平衡的載流子遷移率以及更合適的形貌是PBDTCI-ITO光伏性能更突出的主要原因。進一步利用PBDTCl-ITO相對較淺分子軌道能級和寬帶隙吸收特性，將其引入PM6：PY-IT體系制備全聚合物三元器件，能夠有效提高器件的開路電壓和短路電流，器件的光伏效率可被提升至16.08%。
該研究工作豐富了高效可聚合小分子受體封端基團的類型，并且進一步研究聚合物分子共軛骨架（如篩選核心單元、π橋單元等）有望能夠制備出性能更優異的全聚合物太陽電池。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D4TC01266F
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